单缝衍射光强分布实验的误差探讨

本文就单缝衍射光强分布实验的误差来源进行分析,提出在光电流与光强成线性关系的前提下,产生误差的主要原因是：环境本底及主极大杂散光的存在。并得出在光电探头的线性区域内,增大主极大光强的强度和增大衍射条纹的宽度是减小误差的有效的方法。

Sci nce e and Tec hnol ogy} nnov ati Her d on al

工业技术

单缝衍射光强分布实验的误差探讨① 黎爱珍张锦罗志高 (中山大学东校区实验中心广州 5 0 6 1 0 ) 0 摘要：文就单缝衍射光强分布实验的误差来源进行分析，出在光电流与光强成线性关系的前提下，本提产生误差的主要原因是：环境本底及主极大杂散光的存在。并得出在光电探头的线性区域内，大主极大光强的强度和增大衍射条纹的宽度是减小误差的有效的方法。增关键词：单缝衍射环境本底主极大杂散光中图分类号： 6 G4文献标识码： A文章编号： 6 4 9 X 2 0 ) b-0 6—0 1 7—0 8 ( 0 9 1 () 0 4 2 2

1引言测量单缝衍射的光强分布是一个重要的光学基础实验，学中常用来验证光具教有波动性、量狭缝的大小等，理论研究测在和实验教学中都占有重要的地位。年来近越来越多的研究者用该实验来测量金属丝的直径、质的膨胀系数以及产品的畸变物等…_1因此，小单缝衍射实验的误差应 I, 3减该受到更多的关注。单缝衍射光强分布实验的误差普遍很大，对误差超过 3% 4研究者对其来源相 0[ 有进行了分析，为主要来源于：源稳定认光性、敏电流计换档以及光强与光电流构灵成非线性关系等[;有文献认为主要是数 4也】据采集速度慢、量时间过长等 _。第一测 5对】种原因引起的误差可以通过改良实验仪器和实验方法如加装交流电子稳压电源、改用量程较大的仪器和控制入射激光在光电探头的线性区域得以减小。二种误差可第以改用先进的实验方法如计算机测量法、示波器测量法 f短测量时间和数据采集 5缩 1 .的时间得以减小。们发现该实验最根本我的误差来源于系统光源以及环境光所产生的叠加。就是说误差的大小关键取决于也采集到的衍射信号的信噪比大小。

散角很小，看作平行光；缝的宽度 a与加，致相对光强增大。底的大小除了与可单导本观察屏到狭缝

的距离 z须满足关系：实验室的明亮程度有关外，与实验时开必还设的实验组数有关，设的实验组数越多，开 <<1[其中，是单色光的波长。实 7 1 本本底越大，得的相对光强也越大。测验采用氦氖激光束作光源，长为 6 .波 5 3 8 m,缝宽度小于 0 5 rm,验中单缝 3实验装置和测量结果 a r狭 .5 a实与光电探头的距离设置为 0 8足够满足 3 1实验装置 . m, .上述远场要求。采用传统的测量衍射光强分布的方法：实验中的相对光强，,指的是衍射氦氖激光束通过强度可调的衰减装置后照 /n连条纹上各测量点的光强 I主极大光强 1射到单缝发生衍射，接光功率计的光电探 X与 0螺的比值。波动学说或粒子学说已经具体头作为光接收器件，旋测微杆带动光电探用在求得次极大相对光强的大小，用该实验头逐点测出光电流的大小，光电探头的线是 2 ,

时把衍射光强控制在光电池线性区域内。 3 2实验结果 .>逐点改变点光源与光电探头的距离测 2理具实验是实验室环 0夫琅禾费衍射属 -场衍射，氦氖属远 f - 用氖 0 b十得的光电探头的输出功率 (电流 )距离的与激光束作入射光源，光束光腰部分的发境光对 I/o分子、母都存在本底叠关系见图 1激 I的分。

原理测量金属丝的直径、质膨胀系数等物最好的理论依据。误差来源于：一分母其其 1的测量值比实际值小。种情况通常是由 0这于测量时，主极大光强厶出光电探头的线超性区域，得的主极大光强比实际值小，测导致相对光强增大。二是分子，除主极大外其 v的衍射光存在额外叠加。于主极大光斑由占据了衍射光 9%以上的能量，度极大的 0强主极大光斑，反射、射等形式产生杂散以散光，邻近区域的衍射光产生叠加，致相对导对光强增大。三是源于相对光强的，/o ,的分子和分母都存在叠加。次级条纹，对 I>I,由数学关系我们可以证明 x

性区域内即可得

到衍射光强分布规律。光电探头前贴一个宽度不变的光栏，探头接收光的面积不变，光功率与光电流成正比，因而可用相对光功率代替相对光强。尊重实验数据起见，文用光功率表示光强。本为了避免了光源稳定性引起的误差，实验采用了单边测量，量时间控制在 2分钟测 0以内。其次，验采用量程范围较大的光功率实计，免了实验过程中换档改变仪器内部电避路而产生的误差。了避免光强与光电流非为线性引起的误差，量光强分布规律之前先测寻找光强与光电流成线性关系的区域，实验

10 ∞O

08 4 o o

O6 一

3 o o o

至 H

0 4

2。 0

02 t o o

00 0

1 m/( ) zc

X mm,

图2主极大光强相同，条纹宽度不同的相对光强分布图图 1光电探头的输出功率与光源到探头距离的关系小图是次级条纹的局部放大